光學(xué)儀器2011

1、第四章第四章 光學(xué)儀器的基本原理光學(xué)儀器的基本原理 人類從客觀世界獲得的信息90%來自于視覺。 為了提高人的視覺能力，借助于光學(xué)儀器：平面鏡、球面鏡、透鏡等組成。其基本概念前面已用過,條件限制（近軸物、近軸光線）。此時(shí)遇到兩類矛盾： a.成像放大后的清晰度與像場能量聚集程度之間的關(guān)系、色差、像差等。 b.成像清晰度與細(xì)節(jié)分辨程度的關(guān)系。如衍射與像差等。 問題的提出：對光學(xué)成像系統(tǒng)的要求光學(xué)特性好。成像質(zhì)量高。近軸光學(xué)成像公式中要求: sini = i既要求成像光束的口徑小，儀器的視場小。 實(shí)際中往往會突破近軸條件的限制。例: 顯微鏡：要求所成的像較亮，細(xì)節(jié)分得開。即需要加大成像光束的口徑。特殊

2、照相機(jī)：要求有較大的視場。普通光源：發(fā)出的光線不是近軸的且均為復(fù)色光源。放大本領(lǐng)、聚光本領(lǐng)、分辨本領(lǐng)。放大本領(lǐng)、聚光本領(lǐng)、分辨本領(lǐng)。4.1.1人眼的結(jié)構(gòu) 人眼近似為一球形,其直徑大約2.4cm。 角膜：透明球面，厚度約0.55mm. n=1.3771 r=8mm. 前房:角膜后的部分空間,n=1.3374 ,透明淡鹽溶液,深度約3mm. 水晶體:由多層薄膜構(gòu)成的一個(gè)雙凸透鏡,自然狀態(tài)下,前表面r=10.2mm,后表面 r=6mm,通過睫狀肌可以使前表面變化。 彩簾：由它顯示顏色，其中心為一個(gè)園孔，稱彩簾：由它顯示顏色，其中心為一個(gè)園孔，稱為瞳孔。能限制進(jìn)入眼睛的光束口徑，直徑為為瞳孔。能限制進(jìn)

3、入眼睛的光束口徑，直徑為1.48mm. 后房后房:充滿一種與蛋白質(zhì)類似的透明液體叫玻充滿一種與蛋白質(zhì)類似的透明液體叫玻璃液，璃液，n=1.336 視網(wǎng)膜：后房的內(nèi)壁與玻璃液緊貼的一層由視視網(wǎng)膜：后房的內(nèi)壁與玻璃液緊貼的一層由視神經(jīng)細(xì)胞和視神經(jīng)纖維構(gòu)成的膜，是眼的感光神經(jīng)細(xì)胞和視神經(jīng)纖維構(gòu)成的膜，是眼的感光部分，眼將物體成象于網(wǎng)膜上，共有十層。部分，眼將物體成象于網(wǎng)膜上，共有十層。 脈絡(luò)膜：網(wǎng)膜的外圍包圍著一層黑色膜，其作脈絡(luò)膜：網(wǎng)膜的外圍包圍著一層黑色膜，其作用是吸收透過網(wǎng)膜的光線，將后房變成一個(gè)暗用是吸收透過網(wǎng)膜的光線，將后房變成一個(gè)暗室。室。 鞏膜：是一層不透明的白色外皮，將眼球包圍鞏膜：

4、是一層不透明的白色外皮，將眼球包圍起來。起來。 黃斑：位于網(wǎng)膜中部的橢圓形區(qū)域，黃斑：位于網(wǎng)膜中部的橢圓形區(qū)域，d=2mm，黃斑上有一個(gè)不大的凹部，直，黃斑上有一個(gè)不大的凹部，直徑約徑約0.25mm,稱為稱為中心窩中心窩。在中心窩處。在中心窩處聚集了大量的感光細(xì)胞，是網(wǎng)膜上視覺聚集了大量的感光細(xì)胞，是網(wǎng)膜上視覺最靈敏的區(qū)域。最靈敏的區(qū)域。 盲斑：神經(jīng)纖維的出口，此處沒有感光盲斑：神經(jīng)纖維的出口，此處沒有感光細(xì)胞，所以不能產(chǎn)生視覺。細(xì)胞，所以不能產(chǎn)生視覺。 來自外界的光線，經(jīng)過角膜及水晶體來自外界的光線，經(jīng)過角膜及水晶體折射后，成像在網(wǎng)膜上，視神經(jīng)細(xì)胞受到折射后，成像在網(wǎng)膜上，視神經(jīng)細(xì)胞受到刺激

5、，而產(chǎn)生視覺刺激，而產(chǎn)生視覺。 視網(wǎng)膜上分布著視網(wǎng)膜上分布著光敏細(xì)胞，光敏細(xì)胞分為兩種: 圓柱細(xì)胞和圓錐細(xì)胞。 視錐細(xì)胞（core,C）： 6.5百萬/單眼，光敏感度低，強(qiáng)光刺激才能引起興奮，但具有分辨顏色的能力。鴿子只有視錐細(xì)胞。 視桿細(xì)胞(rod, R)：1.25億/單眼，對弱光敏感，不能分辨顏色。貓頭鷹只有視桿細(xì)胞。 非正常眼非正常眼（近視眼、遠(yuǎn)視眼、散光眼、老花眼）（近視眼、遠(yuǎn)視眼、散光眼、老花眼）需要用透鏡來矯正。需要用透鏡來矯正。遠(yuǎn)視眼、老花眼遠(yuǎn)視眼、老花眼凸透鏡；近視眼凸透鏡；近視眼凹透鏡；凹透鏡；散光眼散光眼柱透鏡。柱透鏡。Dssf5 . 0121111近視50度例:一個(gè)遠(yuǎn)點(diǎn)為

6、2米的近視眼,應(yīng)戴什么樣的眼鏡?Dssf225. 015 . 01111遠(yuǎn)視200度例:某人的近點(diǎn)為50cm，他應(yīng)戴什么樣的眼鏡？4.2.1 放大本領(lǐng)的概念 UUUUMtgtg4.2.2 放大鏡（凸透鏡）放大倍數(shù)通常用“”表示，如放大3倍，為“3”。為單位）以而（cm.25,)()(.2525ffyfyUUMyUfyfysyU為單位）以而（cm.25,)()(.2525ffyfyUUMyUfyfysyU為單位）以而（cm.25,)()(.2525ffyfyUUMyUfyfysyUf25為單位）以而（cm.25,)()(.2525ffyfyUUMyUfyfysyU4.3.1 目鏡的作用(1).

7、作用： 用來放大其它光具組（物鏡）所成的像。(2). 構(gòu)成： 由不相接觸的兩個(gè)薄透鏡組成。視鏡：接近眼睛者場鏡：面向物體的透鏡4.3.2 兩種目鏡 （ ）（1）惠更斯目鏡： 兩個(gè)同種玻璃的平凸透鏡組成，凸面都向著物鏡。302U.2,33,212adaffaf Q在視鏡的物方焦平面上，Q在整個(gè)目鏡的物方焦平面上。 分劃板應(yīng)安裝在Q處。 惠更斯目鏡的視場相當(dāng)廣大，視角可達(dá)40，在25范圍以內(nèi)更見清晰，而且結(jié)構(gòu)簡單。因此顯微鏡中經(jīng)常采用這種目鏡。（2）冉斯登目鏡： 兩個(gè)同種玻璃的平凸透鏡組成，凸面相向，平面向外。 .323232,2121affdaff Q在視鏡的物方焦平面在視鏡的物方焦平面F2上上

8、,Q在整個(gè)目在整個(gè)目鏡的物方焦平面鏡的物方焦平面F上。分劃板即裝在此平上。分劃板即裝在此平面上。面上。 冉斯登目鏡可作一般放大鏡觀察實(shí)物，冉斯登目鏡可作一般放大鏡觀察實(shí)物，而惠更斯目鏡卻只能用來觀察象。在冉而惠更斯目鏡卻只能用來觀察象。在冉斯登目鏡的物平面上加一分劃板，可對斯登目鏡的物平面上加一分劃板，可對被觀察的物體或來自物鏡的實(shí)象進(jìn)行長被觀察的物體或來自物鏡的實(shí)象進(jìn)行長度的測量。度的測量。注意： 共同點(diǎn)： 對被觀察的實(shí)像都有放大作用。 不同點(diǎn)： 前者只能觀察像，后者還可以觀察實(shí)物； 后者能對物或像進(jìn)行長度測量，前者則不能。 最簡單的顯微鏡是由兩組透鏡構(gòu)成的： 物鏡（焦距很短），目鏡（惠更斯

9、目鏡）。4.4.1 顯微鏡的光路圖4.2.2 顯微鏡的放大本領(lǐng) 物鏡和目鏡所組成的復(fù)合光具組的焦距為： 整個(gè)顯微鏡（當(dāng)作一個(gè)簡單放大鏡）的放大本領(lǐng)為： 21fff.):,)25)(252525,1212121目鏡放大本領(lǐng)物鏡的橫向放大率（MfMfffffffM 光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)最多到2000左右；電子顯微鏡，掃描隧穿顯微鏡可放大幾十萬倍甚至上百萬倍。4.5 望遠(yuǎn)鏡的放大本領(lǐng)返回 按其用途分： 天文望遠(yuǎn)鏡：射電、紅外、 紫外、 x光望遠(yuǎn)鏡等； 普通望遠(yuǎn)鏡：讀數(shù)(實(shí)驗(yàn)用)、棱鏡(雙筒、軍事、觀劇、旅游、球賽等)； 特殊望遠(yuǎn)鏡：天文、遙感、宇航、導(dǎo)彈跟蹤、高空攝影、激光測距等。 兩個(gè)會聚透鏡（物

10、鏡、目鏡），折射式。 物鏡像方焦點(diǎn)F1和目鏡物方焦點(diǎn)F2重合。 可見： ，像是倒立的 。21211211222,fffffyfyUUMfyfQPUfyUfyfQPU即,21Mff0M21211211222,fffffyfyUUMfyfQPUfyUfyfQPU即21211211222,fffffyfyUUMfyfQPUfyUfyfQPU即物鏡是會聚透鏡，目鏡是發(fā)散透鏡， 和 F2 重合。1F象是正立的。, 0, 0, 0.,12121121122MfffffffyfyUUMfyfQPUfyfQPU和2象是正立的。, 0, 0, 0.,12121121122MfffffffyfyUUMfyfQPU

11、fyfQPU象是正立的。, 0, 0, 0.,12121121122MfffffffyfyUUMfyfQPUfyfQPU象是正立的。, 0, 0, 0.,12121121122MfffffffyfyUUMfyfQPUfyfQPU象是正立的。, 0, 0, 0.,12121121122MfffffffyfyUUMfyfQPUfyfQPU象是正立的。, 0, 0, 0.,12121121122MfffffffyfyUUMfyfQPUfyfQPU1、 伽利略望遠(yuǎn)鏡的視場較小，而開普勒伽利略望遠(yuǎn)鏡的視場較小，而開普勒望遠(yuǎn)鏡的視場則較大。望遠(yuǎn)鏡的視場則較大。牛頓式反射望遠(yuǎn)鏡格雷戈里式反射望遠(yuǎn)鏡卡斯格倫式

12、反射望遠(yuǎn)鏡施密特式反射望遠(yuǎn)鏡 使激光器發(fā)出的光束實(shí)現(xiàn)擴(kuò)束的儀器稱為激光擴(kuò)束器。 通常是將望遠(yuǎn)鏡倒過來使用，也可用顯微鏡的物鏡等。 我國人造衛(wèi)星激光測距儀，測量精度已達(dá)5cm。 4.10.1 分辨本領(lǐng) 瑞利判據(jù) 4.10.2 人眼的分辨本領(lǐng) 4.10.3 望遠(yuǎn)鏡物鏡的分辨本領(lǐng) 4.10.4 顯微鏡物鏡的分辨本領(lǐng)(1). 瑞利判據(jù)： 當(dāng)一個(gè)中央亮斑的最大值恰和另一個(gè)中央亮斑的最小值位置相重合時(shí)，兩個(gè)像點(diǎn)剛好能分辨開。 (2). 分辨本領(lǐng)： 式中 u 是兩個(gè)發(fā)光點(diǎn)在光具組入射光瞳中心所張的視角，1 是各衍射圖樣第一暗環(huán)半徑的衍射角，R是入射光瞳的半徑。 時(shí)，兩點(diǎn)的像分辨得開； 時(shí)，則分辨不開。 時(shí)的

13、這個(gè)極限角成為光具組的分辨極限，而它的倒數(shù)稱為分辨本領(lǐng)。此外，也可用像面上或物面上能夠分辨的兩點(diǎn)之間的距離來表示分辨極限。Ru610. 01 1u 1u 1u14 . 31 . 055. 561. 01010450radu 望遠(yuǎn)鏡物鏡的分辨極限通常以物鏡焦平面上剛剛能夠分辨出的兩個(gè)像點(diǎn)之間的直線距離來表示：fdfdfy220. 1220. 11 顯微鏡物鏡的分辨極限通常以被觀察的物面上剛好能夠分辨出的兩物點(diǎn)之間的直線距離來表示： 1932年，魯斯卡電子顯微鏡； 1982年，賓尼希、羅雷爾掃描隧穿電子顯微鏡； 1986年，三人同獲諾貝爾獎。unysin610. 0 4.4.11 11 分光儀器的

14、分辨本領(lǐng)分光儀器的分辨本領(lǐng)返回 (1). 角色散率： 或 在最小偏向角 附近的角色散率的數(shù)值為：ddDlim0D0ddndndddddD00 而 即：2,2,22sin2sin201100AiAiAiAAn2sin12sin21)2(sin12sin21)2cos(2sin2121)2cos(2sin12202000AnAAAAAAAddn 波長相差為 的兩譜線間的角距離ddnAnAD2sin12sin222ddnAnAD2sin12sin222 (2). 色分辨本領(lǐng) 即 又 為棱鏡底面的寬度 色分辨本領(lǐng)為：b11sinbddnAnA2sin12sin222ddnAnAb2sin12sin22

15、2CBddnpddnAnAb2sin12sin222 可見： 用指定材料（ 一定）制成的棱鏡，折射棱角 A 越大，不論有效厚度大小如何，對一定的 所得 越大，即光譜展得越開。 棱鏡底面的寬度 越大，不論折射棱角 A 大小如何，色分辨本領(lǐng) 越高。ddn (3). 線色散率 可見：光譜儀的線色散率L在不同的波段是 不同的（ ）。fddfDLddnbddnAnAD2sin12sin222ddnfbLddnL 光柵光譜儀的線色散率，定義為coslim0djddDfdjfddfDLcos式中 為會聚透鏡的焦距。f 4.11.2 光柵光譜儀cos1Nd光柵的色分辨本領(lǐng)為coscosNddjjNP 可見：

16、對于給定的某一級光譜，波長相差 的兩譜線間的角距離 反比于光柵常數(shù)d，即正比于光柵單位長度內(nèi)狹縫條數(shù) 1/d ，狹縫條數(shù)越密，光譜展得越開，而與光柵的狹縫總數(shù) N 無關(guān)。（ ） 光柵光譜儀的分辨本領(lǐng)則正比于狹縫總數(shù)N，且隨著光譜級數(shù)的增加而增加，但與光柵常數(shù) d 無關(guān)。（ ）jNp d1d1cosdj解：(1)由光柵的色分辨本領(lǐng)公式 可知光柵的總縫數(shù)為 故光柵所需的最少縫數(shù)為982條（2）由光柵的角色散率的公式 可知 由光柵方程可得 代入前式得式中 j = 1，L 為光柵的寬度，故 (3) 線色散率為 1.光學(xué)儀器的本領(lǐng)主要有哪幾個(gè)？2.近視眼,老花眼需要配什么樣的透鏡加以校正？3.人眼的明視距離為多少？4.助視儀器放大本領(lǐng)的一